鋼橋變形疲勞粘結(jié)加固方法耐久性試驗(yàn)研究

摘要：采用粘結(jié)角鋼加固法對(duì)鋼橋腹板間隙處的疲勞裂紋進(jìn)行加固，其優(yōu)點(diǎn)是對(duì)原結(jié)構(gòu)不造成損傷或損傷較小。文章通過足尺疲勞試驗(yàn)評(píng)估粘結(jié)角鋼加固法的有效性和耐久性：首先加載試件誘發(fā)其產(chǎn)生疲勞裂紋，然后采用粘結(jié)角鋼加固法對(duì)梁進(jìn)行加固，在實(shí)驗(yàn)室放置約三年半后，對(duì)加固后的試件繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)。結(jié)果表明：試件應(yīng)用粘結(jié)角鋼加固法強(qiáng)化后，面外變形和疲勞細(xì)節(jié)處的應(yīng)力急劇下降，疲勞裂紋也沒有進(jìn)一步增大。因此，粘結(jié)角鋼加固技術(shù)可有效控制鋼梁橋腹板間隙區(qū)域的疲勞裂紋，且具有良好的耐久性。

關(guān)鍵詞：粘結(jié)角鋼加固法;疲勞試驗(yàn);有效性;耐久性

0 引言

多梁式鋼橋梁的主梁由橫向支撐連接，荷載是從一根主梁傳遞到相鄰的主梁。在焊接過程中，主梁的豎向加勁肋連接到橫向支撐或橫梁上，從而可以有效地連接不同的主梁。為了避免垂直加勁肋和張力翼緣焊縫處的疲勞細(xì)節(jié)失效，通常將主梁張力翼緣附近的垂直加勁肋剪短，因此，在垂直加勁肋和張力法蘭之間留有幾厘米的腹板間隙。在車輛荷載作用下，相鄰主梁的位移不同，導(dǎo)致腹板間隙區(qū)域發(fā)生面外變形。疲勞裂紋嚴(yán)重影響鋼橋的使用安全和使用壽命，已知大約90%的疲勞裂紋是由面外變形和二次應(yīng)力引起的[1-2]，文中鋼橋腹板間隙的損傷就是面外變形引起的典型疲勞問題。

眾多學(xué)者通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、有限元分析和理論研究[3-5]，發(fā)現(xiàn)增加腹板間隙長(zhǎng)度或連接垂直加勁肋和拉伸法蘭可以有效降低腹板間隙處的集中應(yīng)力，螺栓連接的丁字角鋼也可有效防止新疲勞裂紋出現(xiàn)。在加勁肋和頂部法蘭之間連接一個(gè)板，將交叉支撐連接到加勁肋的螺栓，已被證明能有效減少腹板間隙區(qū)域變形引起的應(yīng)變和應(yīng)力。還有學(xué)者通過將角鋼螺栓連接到法蘭和腹板上來增加腹板間隙厚度，該方法可增加腹板間隙的剛度，并有效減少腹板間隙區(qū)域的變形和應(yīng)力。縫隙修補(bǔ)也可用于修補(bǔ)疲勞細(xì)節(jié)，結(jié)果表明，這種方法在腹板間隙中引入了較高的疲勞應(yīng)力，將導(dǎo)致疲勞裂紋重新生成和擴(kuò)展。然而，使用角鋼連接翼緣和加勁肋的加固方法可以有效地減小面外變形幅度，從而減小腹板間隙處加勁肋-腹板焊趾的應(yīng)力，并防止產(chǎn)生新疲勞裂紋和擴(kuò)展現(xiàn)有的疲勞裂紋。

本文進(jìn)行足尺疲勞試驗(yàn)，研究粘結(jié)角鋼加固法的有效性和耐久性。已知粘結(jié)角鋼加固技術(shù)不會(huì)在疲勞敏感部位引入二次應(yīng)力，加固過程中也不會(huì)對(duì)腹板間隙的疲勞敏感部位產(chǎn)生負(fù)面影響。首先加載試件誘發(fā)疲勞裂紋，然后采用粘結(jié)加固法對(duì)梁進(jìn)行加固，加固后進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，將試樣放置在實(shí)驗(yàn)室中三年半，模擬溫度、濕度和粘合材料老化對(duì)冷加固接頭疲勞性能的影響。這是為了模擬工字鋼板橋中間主梁的加固位置，因?yàn)樵撐恢肹=XQS（]鋼橋變形疲勞粘結(jié)加固方法耐久性試驗(yàn)研究/陳薇元[=JP2]很難直接受到雨、雪和紫外線的影響。鋼筋試件繼續(xù)承受循環(huán)荷載，以分析粘結(jié)層的耐久性、退化、老化以及四季溫度變化對(duì)冷加固節(jié)點(diǎn)性能的影響。

1 疲勞試驗(yàn)

1.1 測(cè)試程序

足尺試件為工字形鋼梁，由翼緣、腹板和加勁肋組成。試樣由Q345鋼制成，正常屈服應(yīng)力為345 MPa，試件尺寸根據(jù)腹板間隙的實(shí)際疲勞性能確定。通過有限元分析的結(jié)果表明，試件長(zhǎng)度對(duì)腹板間隙的面外變形和應(yīng)力的影響可以忽略不計(jì)。因此，考慮到疲勞試驗(yàn)的固定和加載條件，試樣長(zhǎng)度采用600 mm。圖1為試樣的尺寸、應(yīng)變和位移測(cè)量點(diǎn)。法蘭、腹板和豎向加勁肋的尺寸分別為（600×300×24） mm、（870×600×8） mm和（790×120×6） mm。根據(jù)有限元分析結(jié)果，應(yīng)變儀布置在應(yīng)力較高的腹板間隙處。

采用100 kN容量的MTS伺服液壓執(zhí)行器施加循環(huán)荷載。通過液壓制動(dòng)器向加勁肋施加循環(huán)荷載，模擬加勁肋通過加載梁的實(shí)際橫向作用力。試件法蘭用螺栓固定在錨上，因此，循環(huán)荷載施加在垂直加勁肋和角鋼的連接處，導(dǎo)致腹板間隙的面外變形。

試樣的加載范圍是將初始面外變形控制在0.2 mm和0.4 mm之間。在靜態(tài)試驗(yàn)中，每循環(huán)100 000次記錄一次裂紋長(zhǎng)度、面外變形和應(yīng)力變化。在疲勞試驗(yàn)期間，用動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)監(jiān)測(cè)試樣腹板間隙的面外變形和應(yīng)力。當(dāng)疲勞裂紋的擴(kuò)展影響到測(cè)試設(shè)置的穩(wěn)定性時(shí)，疲勞測(cè)試結(jié)束。

1.2 粘結(jié)角鋼加固技術(shù)

膠粘劑目前已廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，土木工程中也不例外，本文改造中使用的結(jié)構(gòu)膠為Araldite。首先對(duì)涂膠區(qū)域進(jìn)行打磨，然后在角鋼和試件涂膠之前將粘合劑混合，最后將角鋼粘結(jié)到試件的加勁肋和翼緣上?；旌险澈蟿┩耆袒螅^續(xù)進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。

2 疲勞測(cè)試結(jié)果

對(duì)兩個(gè)足尺試件進(jìn)行粘結(jié)角鋼前后的疲勞試驗(yàn)。加固前，對(duì)試件進(jìn)行疲勞預(yù)裂試驗(yàn)。疲勞裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展后，將角鋼粘結(jié)在腹板間隙處，防止疲勞裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，然后繼續(xù)進(jìn)行疲勞試驗(yàn)以驗(yàn)證這種加固方法的有效性。為了研究粘結(jié)加固法的耐久性，將試件放置在實(shí)驗(yàn)室三年半，然后再次施加循環(huán)荷載。表1顯示了兩個(gè)試樣加固前后的循環(huán)次數(shù)和循環(huán)荷載范圍。表1中WN、WS、EN、ES分別代表西北側(cè)、西南側(cè)、東北側(cè)和東南側(cè)的加勁肋-腹板焊縫疲勞細(xì)節(jié)。

在試件S-40-1加固前的試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，疲勞裂紋出現(xiàn)在西北側(cè)（WN側(cè)）和西南側(cè)（WS側(cè)）的加勁肋-腹板焊趾處，裂紋長(zhǎng)度分別為13 mm和18 mm。雖然東南側(cè)（ES側(cè)）也發(fā)現(xiàn)了2 mm的疲勞裂紋，但整體而言較小，故選用尺寸為（140×140×14） mm（邊寬×邊寬×邊厚）的等邊角鋼加固西側(cè)腹板間隙。將加固后的試件放置三年半，然后加載比之前加載范圍（10～45 kN）大的荷載。為了加快測(cè)試過程，負(fù)載范圍調(diào)整為10～55 kN，300萬(wàn)次循環(huán)。

對(duì)于試件S-20-1，對(duì)其進(jìn)行加固前，在東北側(cè)（EN側(cè)）和東南側(cè)（ES側(cè)）的加勁肋-腹板焊趾處觀察到疲勞裂紋，裂紋長(zhǎng)度分別為22 mm和20 mm。故東側(cè)腹板缺口用等邊角鋼加固，其尺寸與試件S-40-1相同。在實(shí)驗(yàn)室放置三年半，令加固后的試件繼續(xù)承受循環(huán)荷載。首先試件加載的載荷范圍為14～42 kN，250萬(wàn)次循環(huán);然后將載荷范圍增加到14～52 kN，130萬(wàn)次循環(huán)。

加固后，腹板間隙處已有的疲勞裂紋停止擴(kuò)展，加固角鋼和腹板間隙區(qū)域也未觀察到新的裂紋。由此可見，粘結(jié)角鋼是一種有效的加固方法，可用于控制腹板間隙區(qū)域的疲勞裂紋。此外，三年半后未出現(xiàn)新的疲勞裂紋，已有的疲勞裂紋也未擴(kuò)展延伸，說明粘結(jié)層性能尚可，證明該加固方法具有良好的耐久性。

3 面外變形分析

在疲勞試驗(yàn)過程中，用圖1（c）所示的刻度盤指示器DW-U和DE-U監(jiān)控腹板間隙區(qū)域的面外變形范圍，結(jié)果如圖2所示，顯示了兩個(gè)試樣加固前后的面外變形曲線。

將試樣加固前后腹板間隙處的面外變形數(shù)據(jù)詳細(xì)地記錄在表2中。表2中，面外變形①是在循環(huán)加載前的靜態(tài)試驗(yàn)中測(cè)得的，加載循環(huán)次數(shù)為0。面外變形②是在加固前疲勞預(yù)裂后的靜力試驗(yàn)中測(cè)量而得。面外變形③是在加固后循環(huán)荷載之前的靜態(tài)試驗(yàn)中測(cè)得的。面外變形④是在加固后進(jìn)行最后一次測(cè)試結(jié)束時(shí)進(jìn)行測(cè)量的。將試樣在實(shí)驗(yàn)室放置三年半，分別在循環(huán)加載前和最后一次試驗(yàn)結(jié)束時(shí)測(cè)量面外變形⑤和⑥。

從表2可以看出，對(duì)腹板間隙加固后的面外變形可減小到加固之前變形的3.0%～4.2%。此外，粘結(jié)角鋼加固法還可以將腹板間隙的面外變形控制在較低水平。試驗(yàn)中面外變形范圍的減小表明該加固方法能有效提高腹板間隙的剛度和疲勞性能。三年半后，腹板間隙的面外變形仍為加固前的3.0%～4.2%，證明粘結(jié)角鋼加固法具有良好的耐久性。

4 應(yīng)力分析

在加固前后的疲勞試驗(yàn)期間，測(cè)量腹板間隙區(qū)域加勁肋-腹板焊趾處的應(yīng)力，然后評(píng)估此類疲勞細(xì)節(jié)的疲勞強(qiáng)度。圖3顯示了試樣中加勁肋-腹板焊趾處的應(yīng)力測(cè)量值。

通過加固前后加勁肋-腹板焊趾端部的應(yīng)力實(shí)測(cè)數(shù)值可知：粘結(jié)角鋼加固法能在很大程度上降低加勁肋-腹板焊趾處的應(yīng)力。加固后加勁肋-腹板焊趾處的應(yīng)力幾乎沒有變化，表明加固后腹板間隙處沒有累積疲勞損傷。

針對(duì)試樣加固前后的變化，將加勁肋-腹板焊趾的應(yīng)力變化范圍詳細(xì)地記錄在表3中。表3中應(yīng)力范圍①、②、③、④、⑤和⑥的循環(huán)次數(shù)與表2中具有面外變形①、②、③、④、⑤和⑥的循環(huán)次數(shù)相同。

由表3可知，加固后腹板間隙的應(yīng)力范圍可減小到加固前的5.0%～31.3%，加勁肋-腹板焊趾的應(yīng)力在加固后可降至30 MPa以下。因此，粘結(jié)角鋼加固法能顯著提高腹板間隙區(qū)域的剛度，降低疲勞細(xì)節(jié)的應(yīng)力。三年半后，加勁肋-腹板焊趾的應(yīng)力低于40 MPa，說明粘結(jié)角鋼加固法的耐久性較好。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過足尺疲勞試驗(yàn)，研究了粘結(jié)角鋼加固法的可用性、有效性和耐久性。根據(jù)實(shí)驗(yàn)，可以得出以下結(jié)論：

（1）粘結(jié)角鋼可加強(qiáng)腹板間隙區(qū)域的剛度。加固后，腹板間隙區(qū)域的面外變形減小到原來的3.0%～4.2%，加勁肋-腹板焊趾的應(yīng)力降低到30 MPa以下。三年半后，面外變形保持在3.0%～4.2%，應(yīng)力在40 MPa以下。

（2）在腹板間隙區(qū)域用粘結(jié)角鋼加固后，腹板間隙處已存在的疲勞裂紋停止擴(kuò)展，在角鋼和腹板間隙處不產(chǎn)生新的裂紋，且加固側(cè)在疲勞試驗(yàn)中能夠保持穩(wěn)定。三年半后，無(wú)新的裂縫產(chǎn)生，現(xiàn)有裂縫也沒有擴(kuò)展，加固區(qū)域仍然穩(wěn)定。

（3）粘結(jié)角鋼是一種有效的加固方法，對(duì)改善腹板間隙處的疲勞裂紋具有良好的適用性和耐久性。此外，這種加固形式不需要移除混凝土面板，所以對(duì)原始結(jié)構(gòu)損傷較小。而且，在腹板間隙區(qū)域的疲勞細(xì)節(jié)中不產(chǎn)生二次應(yīng)力，且加固過程中對(duì)腹板間隙區(qū)域的疲勞敏感細(xì)節(jié)也沒有負(fù)面影響。

參考文獻(xiàn)：

[1]凌立鵬，唐 亮，耍荊荊，等.鋼-UHPC組合橋面移動(dòng)車輛加載試驗(yàn)研究[J].公路，2021，66（1）：100-107.

[2]付 磊，林 莉，羅云蓉，等.梯度納米結(jié)構(gòu)材料疲勞性能研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào)，2021，35（3）：3 114-3 121.

[3]王 斌，李新全.鐵路貨車車軸疲勞裂紋產(chǎn)生的原因分析和預(yù)防措施[J].鄭鐵科技，2020（3）：28-29.

[4]王 珂，秦 闖，崔彭飛，等.鈦合金室溫與低溫疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)研究[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2020，42（11）：30-33，49.

[5]呂爾燕.鋼纖維混凝土梁疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2019.